專利名稱：結合鍋爐水位檢測系統的電路故障檢測方法和設備的制作方法
背景技術：
(1)發(fā)明領域本發(fā)明一般涉及鍋爐水位檢測器的領域，尤其涉及的是用于在鍋爐水位檢測器中檢測電氣故障和檢測水汽比的系統。
(2)相關技術描述在蒸汽鍋爐中，如果暴露出火管，那么有可能將會導致鍋爐爆炸，因此對水位進行控制是非常重要的。水對所述火管進行導熱的速率要比蒸汽高出很多倍，因此，如果蒸汽覆蓋火管，那么來自火管的熱傳導將會不足，所述火管將會快速過熱。為了避免出現這種可能造成災難性后果的事件，蒸汽系統有必要為每個鍋爐提供冗余的水位指示器。
有一段時間，一種解決冗余水位指示器需要的方案是包含兩個獨立的可視水位指示器。這種可視水位指示器需要指示器頂部和底部具有穿透性，此外還需要一個觀察孔，其中水位在所述觀察孔中是非常明顯的。然而，鍋爐通常是在很高的溫度和壓力之下工作的，其正常工作壓力常常高達3000psi。而這個因素給工程技術提出了一個挑戰(zhàn)，那就是如何使得觀察孔在這種環(huán)境中足夠牢固。結果，觀察孔經常泄漏，而在這么高的壓力之下，一個很小的泄漏就有可能迅速發(fā)展成一個嚴重的問題。
有鑒于這個問題，諸如ASME之類的標準制定組織規(guī)定了替換的標準來提供冗余水位指示器。舉例來說，可以將一個這種冗余可視指示器隔離并且改為使用一個電子水位指示器。對這種電子水位指示器來說，所述指示器自身必須非常牢固，并且最好是冗余和完全獨立的系統，而不是掃描、輪詢或復用系統，其中所述電子水位指示器通常是一個并行電路。然而，電子水位指示器也因為所涉及的高溫而在設計中提出了自己的挑戰(zhàn)。典型的電子水位指示器使用的是一個具有定距離間隔的導電電極(也稱為探針)的水柱計系統，其中水柱計直接安裝在鍋爐側面。而測量的則是施加到每一個定距離間隔電極的電勢和電流。如果在導體之間有水存在，那么水的低阻抗將會導致產生一個相對較高的測量電流。與之相反，蒸汽的導電性則要差很多，這樣一來，如果在導體之間存在的是蒸汽，那么高阻抗將會產生一個相對較低的測量電流。通常，較高的電流被用于照亮一種顏色或是一種類型的燈，由此向操作員給出一個易于查看的水位指示。附加的邏輯電路則可以提供蒸汽高出水體錯誤指示、高和低水位斷路點、警報、預警、顯示、繼電器閉合、SSR傳導以及其他指示。
某些此類電子水位指示器使用的是一個很低的DC電勢，而對其施加的則是一個外加的方波周期信號。所述DC電勢可能會導致水的水解作用，并且有可能導致蒸汽系統內部氫、氧含量達到發(fā)生爆炸的濃度或者出現電鍍現象。因此需要一種避免了水解問題的用于鍋爐的電子水位指示系統。
此外，標準制定組織還制定了多種自診斷特性，例如電源監(jiān)視、時鐘功能監(jiān)視、電極短路檢測、明線檢測以及水過汽(water oversteam)檢測。為了服務于這些不同的功能，目前提供了很多系統，但在本領域中還需要提供一種能夠有效檢測電路短路、電路開路、和/或水汽比狀況的集成電子系統，其中所述電子系統的感測電路不具有可能導致水解的直流分量。
Martin等人在美國專利4,020,488中描述了一種用于在參數值高出或低于預定限度的時候發(fā)出指示的設備。該設備包括兩個或更多感測器，其中將每一個感測器都調整成在參數超出相應規(guī)定值的時候提供一個報警信號，并且其中至少一個感測器的值等于或超出了預定限度；此外，所述設備還包含了邏輯裝置，其中包括一個與兩個感測器相連并且調整為提供一個“參數超限”信號的驗證電路。這個信號可用于在只有兩個感測器全都提供了報警信號的時候操作一個警報器和/或緊急跳閘。在這里還描述了不同形式的設備，其中感測的參數則是發(fā)電站所使用的蒸汽廠中的不同裝備的水位，由此提供了一個表示高和/或低水位的指示。
Bartles在美國專利4,224,606中描述了一種用于故障安全型鍋爐水位探針并具有安全測試功能的水位控制電路。所述控制電路與一個受控于場效應晶體管并具有恰當定義的操作閾值的放大器相連。在這里提供了一個安全測試開關，以便將放大器的輸入拉到門限點下方，但并未將其拉至短路狀況。通過觀察系統輸出，可以確定是否正確安裝了水位檢測器，以及放大器是否存在任何類型的不安全的操作失誤。
Spencer在美國專利4,482,891中描述了一種牢固的電子水位計設備，該設備尤其適合與鍋爐鍋筒水位計結合使用。所述設備包含了處于水柱中的簡單探針感測器，差動放大感測器，只響應同時存在最小電平信號和某個頻率的情況的檢測器，以及連續(xù)處理四個檢測器輸出的邏輯電路它的相關探針檢測器，其中一個探針檢測器處于下方，另外兩個則處于上方。
Cosser在美國專利4,646,569中描述了一種用于測量容器中的液體水位的水位測量系統。其中建立了處于中央柱電極與環(huán)繞的圓柱形電極之間的第一傳導路徑的電阻抗，以及在柱體與容器之間的第二傳導路徑的電阻抗。第一傳導路徑由涂在圓柱R的絕緣外層限制成低于最小水位。第二傳導路徑則會隨水位而變化。表示水位的輸出信號則是通過采用電勢測定方法而從電極上提取的。通過將所述信號應用于一個具有匹配非線性傳送函數的電路，可以線性化所述信號。通過使用這種裝置，可以產生一個表示水位的連續(xù)輸出信號，該信號不會受到因為流體電阻率改變所導致的差錯的影響。
Colley等人在美國專利4,692,591中描述了一種用于對電極鍋爐蒸汽增濕器進行控制的控制器，其中可以從一個多相交流電流源來控制所述蒸汽增濕器。在這里，多個電流回路變壓器與鍋爐電極相耦合，這些變壓器對在多相交流電各個相位中提取的單獨電流進行感測。多個全波電橋整流器分別將電流回路次級線圈耦合到電壓放大器的輸入端，這樣一來，放大器的輸出端表示的是在鍋爐電極電路各個相位中感測的最高電流。而在電壓放大器的輸出超出一個預定閾值的時候則產生一個控制效應，由此增濕器的操作是依照通過每個鍋爐電極所提取的單獨相位電流最大值而被控制的。
同樣，Colley等人在美國專利4,792,660中描述了一種用于對電極鍋爐蒸汽增濕器進行控制的控制器。所述控制器包含了多個與鍋爐電極相耦合的電流回路變壓器，以便感測電極鍋爐提取的電流。電流電平檢測器則向關聯于鍋爐的電磁閥提供一個控制電壓，以便排出來自鍋爐的預定水量，從而在電極電流超于預定電流上限的時候減小電機電流。此外還提供了一個可以重新設定的計數器，以便限制為了減小電極電流所執(zhí)行的自動嘗試的數目。濕度調節(jié)器的標準周期性活動則將計數器復位，以免通過長期獲取單獨的過量電流事件而導致達到預定計數。在鍋爐正常操作過程中將對電極電流降低到一對預定電流電平之間所需要的時間進行監(jiān)視，并且將其與一個已知基準進行比較，從而提供鍋爐狀況的一般指示。
Jordan等人在美國專利5,519,639中描述了一個用于對具有壓力柱的壓力圓筒的水位進行監(jiān)視的系統。所述監(jiān)視系統包括多個與壓力柱通信的電極，以便接觸所述柱內部的水和蒸汽。其中每一個電極都具有自己的位置，并且產生一個對應于有水存在的第一輸出，以及一個對應于存在蒸汽的第二輸出。鑒別器可操作地連接到電極，它具有一個模數轉換器，用于接收各個電極的輸出并且將這些輸出轉換成一個數字信號。所述數字信號表示的是每個電極那里的水的導電性。中央處理器與鑒別器相連，以便激勵所述鑒別器并且接收數字信號，從而確定導電率與各個電極在所述柱中位置之間的傾斜降級。此外，所述中央處理器還確定了所述柱中的水與蒸汽之間的一個拐點。而LCD顯示器則用于指示哪些電極處于水中以及哪些電極處于蒸汽中。
Richards等人在美國專利5,565,851中描述了一種水位感測系統，尤其是對蒸汽生成鍋爐中的水位進行感測。所述感測系統包括一個與鍋爐相連的容器，以便包含實際上與鍋爐處于相同程度的水和蒸汽，此外所述系統還包含了很多投入到容器之中的垂直分離電極，以及用于測量各個電極所感測的電阻抗的電路。所述電路轉而可以復用到每個電極，其中所述電路包含了一個第一比較器，用于在感測阻抗介于水的標準最大阻抗與水上方的蒸汽的標準最小阻抗之間的時候產生一個輸出，而這個輸出則經過解復用來驅動一個縱向顯示器，以便顯示蒸汽/水的分界面的水位。所述電路還包括一個第二比較器，用于在感測阻抗處于水的標準最小阻抗以下的時候產生另一個輸出，其中所述另一個輸出表示的是多種不同的故障狀態(tài)并且還會驅動一個故障指示器。
最后，Richards在美國專利6,118,190中描述了一個電路，該電路對測量控制設備的安全運行進行控制，以便通過測量電極絕緣尖頭與處于基準電壓或是接地的表面之間的間隙中的阻抗來檢測水是否存在。所述設備也可以配置成在有水存在但不應該存在水的時候提供一個警報，反之亦然。該電路包括比較器、相位檢測器以及用于驅動繼電器的三重冗余驅動電路。其中一個比較器可確保在作為標準狀態(tài)而結合水進行操作的時候，諸如過度污染等問題所引發(fā)的電極錯誤會使系統輸出指示一個異常狀況。另一個比較器則對水的狀況和蒸汽狀況進行判定。此外還有一個比較器則是確保在出現異常或故障狀況的時候不產生輸出。但如果感測器處于正常狀況，那么接下來將只有一個輸出。隨后則顯示使用了安全的三重冗余驅動電路來操作一個繼電器，由此所述繼電器的觸點可以用于指示標準或異常/故障狀況。
然而，現有技術并未描述這樣一個系統，該系統包含一個雙頻感測信號，所述信號則擴展成沒有直流電流的狀況，此外可以在同一感測線路上使用所述信號來指示開路狀況或短路狀況，而所述系統則包含了鍋爐水位測量以及故障指示器，其中所有這些都處于同一感測電路內部。
因此，本發(fā)明的一個目的是對開路和/或短路狀態(tài)進行感測，以及單個系統的水汽比狀況進行感測。本發(fā)明的另一個目的則是借助單個電路來提供一種感測開路和/或短路狀態(tài)以及水汽比狀況的方法。本發(fā)明還有一個目的則是借助一個電路來感測這種狀況，其中向電極探針施加了一個凈總和積分為零的信號，以便排除鍋爐系統內部可能發(fā)生的水解現象。
發(fā)明概述本發(fā)明是通過提供一個雙頻信號發(fā)生器來解決現有技術的這些和其他需要的，其中所述雙頻信號發(fā)生器產生兩個不具有相關DC分量的AC分量。這兩個頻率混合在一起并通過一個阻抗匹配電路發(fā)送，由此可以將系統的信號發(fā)生部分阻抗匹配于測得的鍋爐用水阻抗。
然后則將阻抗匹配信號引向兩條支線，其中指引一條支線經由多個電極探針而到達第一濾波器電路，并且指引另一條引線到達第二組濾波器。在組合中，濾波器傳遞這兩個頻率中較高或較低的一個頻率，以便確定水位感測電路中的開路或短路狀況以及汽過水(steamover water)狀況。
通過結合附圖
考察以下詳細說明，本領域技術人員將會清楚了解本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)點。
附圖簡述附圖僅僅描述的是一個本發(fā)明的典型的優(yōu)選實施例，因此不應該將其視為是對本發(fā)明的范圍加以限制，本發(fā)明也可以允許其他那些同樣有效的實施例。
唯一的附圖是用于單個電極的水位的本發(fā)明優(yōu)選實施例的示意圖。
優(yōu)選實施例詳述附圖描述的是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，其中提供了一個電路故障檢測系統10。從概念上講，系統10是從一個周期信號發(fā)生器12開始的，其中所述信號發(fā)生器優(yōu)選為一個雙頻正弦波發(fā)生器。信號發(fā)生器12提供了兩個并非復用而是相互重疊的頻率。舉例來說，這兩個頻率中較低的一個大約為20Hz，該頻率用于測量在電極或探針14的特定水位那里是否存在水或蒸汽，而這兩個頻率中較高的一個大約為5KHz，該頻率則用于檢測電路故障。由于對于水尤其是經過鍋爐用水化學處理的鍋爐用水來說，它并不完全是電阻性的(resistive)，由此給出的則是一個電抗性(reactive)阻抗，因此在這里使用了較低的頻率來檢測水位。鍋爐用水的電抗性阻抗將會在較高的頻率上產生有錯誤的測量結果。而在這里選擇的高頻則是5KHz，以便提供一個易于生成和控制的頻率，此外，由于所述頻率離低頻足夠遠，因此簡單的濾波器也可以很容易地對其加以區(qū)分。此外，由于使用了這個頻率來檢測布線誤差，因此，因為水的電抗所造成的任何相移都是沒有意義的。
處于不帶DC分量的相對較低AC電壓的雙頻信號則提供到一個混頻器16，所述混頻器簡單地將這兩個信號重疊在一個單獨導體18上。而重疊信號則被引導到一個導電率變動(ranging)阻抗電路20，從功能上講，該電路是一個可以調整的電阻器。在這里將所述導電率變動阻抗電路20調整成與鍋爐的水的阻抗相匹配，其中所述水的阻抗實際上是隨化學性質而變化的。
在圖中，將來自導電率變動阻抗電路20的兩條線路分支之一標記為“探針”或線路22，另一條則標記為“感測”或線路“24”。如圖所示，探針線路定義的是經過探針14之前的雙頻信號，感測線路定義的是經過探針之后的信號。探針線路22將混合信號發(fā)送到電極或探針14，如果在探針那里存在蒸汽，那么所述電極或探針14將會給出一個高阻抗，如果存在的是水，則給出一個低阻抗。感測線路24則從探針14繼續(xù)連接到高通濾波器26，其中所述濾波器過濾低頻(20Hz)分量。所述高頻分量從濾波器26傳遞到一個正向整流積分器28，其中所述整流積分器在信號線路30上產生一個第一測量信號。如這里所使用的那樣，術語“正向整流器”指的是一個阻塞周期性波形的負向部分并且通過正向部分的整流器。相反，“負向整流器”指的是一個阻塞這種波形的正向部分并且通過負向部分的整流器。
如先前所述，導電率變動阻抗電路還提供了一個探針線路22。所述探針線路22供應的是一個高通濾波器32，該濾波器與濾波器26相類似，它對低頻分量進行過濾并且通過高頻或是大小為5KHz的分量。而濾波器32則將高頻分量饋送到一個負向整流積分器34，所述整流積分器在信號線路36上產生一個第二測量信號。信號線路30上的第一測量信號與信號線路36上的第二測量信號饋送到一個求和點38。如果這兩個饋送到求和點38的測量信號相等，則提供一個表明在往返于電極的電路中沒有開路的明確指示。
求和點供應的是一對并行比較器40與42。比較器40由一個窗口基準電壓WVRef(+)施加偏壓，而比較器42則由窗口基準電壓WVRef(-)施加偏壓。比較器40和42將其中一個輸入饋送到一個“與”門44，以此作為在輸出端46指示開路的輸入之一。
現在返回到負向整流積分器34，信號線路36上的第二測量信號還饋送到一個比較器48。比較器48的另一個輸入則是由一個基準電壓SVRef提供的，除非在電極電路中出現了短路，否則所述基準電壓與來自整流器34的預期電壓電平相等。如果出現短路，那么比較器48向短路指示器50產生一個信號，其中根據正常操作下測得的低阻抗液體的阻抗測量結果而標稱地將所述指示器設定在一個大小為10∶1的因數。此外，這個信號還由一個反相器52進行反向，然后則將其饋送到“與”門44的另一個輸入端，以便用于開路指示。在短路情況下，導體36上的探針信號和導體30上的感測信號是相等的，但是有時這將會導致產生短路和開路輸出。通過對短路信號50進行反向并且將其與來自窗口比較器40、42的開路信號進行邏輯“與”操作，可以消除這種不明確性。
大多數配電板都是基于這樣一個概念來運作的，其中不發(fā)光的面板表示正常操作，或者紅、黃和綠色的指示分別意味著立即關注，更強的觀察以及正常的操作。為了減少針對操作員的指示器數目，本發(fā)明提供了一個“或”門54。如果在運算電路中檢測到開路或短路，那么“OR”門將會產生一個信號，以便只在電器故障線路56向操作員指示存在一個超出規(guī)范(out of specification)情況狀況的狀況，以便方便他執(zhí)行行動。
最終，除了高通濾波器32之外，探針電路22還供應了一個低通濾波器58。低通濾波器58從信號中過濾高頻分量，并且通過向整流積分器60提供低頻分量(20Hz)來產生一個水位指示信號。整流積分器60則將水位指示信號饋送到一個比較器62。源自電極的較高阻抗表示在電極那里存在蒸汽，而較低阻抗則表示水。比較器62是由基準PVRef進行偏壓，并且在S/W輸出端64提供了一個信號。這個輸出的電壓電平則確定是否為操作員點亮一個蒸汽指示器或水指示器。
在上文中已經對本發(fā)明的原理、優(yōu)選實施例和工作模式進行了描述。然而在這里并未將本發(fā)明視為限制在所公開的特定形式之中，因為這些形式被視為是說明性而不是限制性的。此外，本領域技術人員可以進行多種變化和修改，而不會脫離本發(fā)明的精神。
權利要求
1.一種用于用于鍋爐水位指示器的感測電路，其中所述指示器具有一個水位探針，所述電路則包括a.雙頻信號發(fā)生器；b.經由該探針而與信號發(fā)生器耦合的第一高通濾波器；c.與該信號發(fā)生器相耦合的第二高通濾波器；d.與第一高通濾波器相耦合，以便產生一個正的感測電平的正向整流器；e.與第二高通濾波器相耦合，以便產生一個負的感測電平的負向整流器；f.一個用于接收正和負的感測電平并且產生一個求和輸出的求和點，其中所述求和點處相等的正的和負的感測電平表示在該感測電路中沒有出現開路。
2.權利要求1的感測電路，還包括一個比較器，它由一個預定的短路電壓進行偏壓并且耦合到負向整流器，以便根據負的感測電平與短路電壓之間的預定差值來產生一個短路指示。
3.權利要求1的感測電路，還包括一個鍋爐化學性質比較器，它由一個預定的鍋爐用水阻抗電壓進行偏壓并且耦合到負向整流器，以便根據負的感測電平與鍋爐用水的阻抗電壓之間的預定差值來產生超出規(guī)范的鍋爐用水化學性質指示。
4.權利要求1的感測電路，還包括一個低通濾波器，它耦合到信號發(fā)生器，以便產生一個指示探針處的汽水比狀況的信號。
5.權利要求1的感測電路，還包括一個將信號發(fā)生器耦合到第一和第二高通濾波器的混頻器。
6.權利要求4的感測電路，還包括一個將信號發(fā)生器耦合到低通濾波器的混頻器。
7.權利要求4的感測電路，還包括a.一個低通濾波器整流器，它接收表示汽水比狀況的信號，并且產生一個表示汽水比狀況的整流信號；以及b.一個汽過水比較器，它由一個汽水比電壓基準進行偏壓，以便根據指示汽水比狀況的整流信號與汽過水電壓基準之間的預定差值來產生一個汽水比指示。
8.權利要求1的感測電路，其中，所述信號發(fā)生器產生兩個正弦波。
9.權利要求8的感測電路，還包括一個將這兩個正弦波施加到一個導體的混頻器。
10.權利要求1的感測電路，還包括一個耦合到求和點的窗口比較器，用于接收求和輸出并且將求和輸出與一個窗口基準電壓相比較，由此根據求和輸出與窗口基準電壓之間的預定差值來產生一個開路信號指示。
11.權利要求1的感測電路，其中，所述信號發(fā)生器產生一個定義了凈總和積分零信號電平的雙頻信號。
12.一種對鍋爐的鍋爐水位電路進行分析的方法，包括以下步驟a.產生一個具有高頻成分和低頻成分的雙頻信號；b.經由一個鍋爐水位探針來傳遞雙頻信號，以便產生一個感測信號；c.從感測信號中過濾低頻成分；d.從雙頻信號中過濾低頻成分；以及e.分析經過濾的感測信號和雙頻信號，以便確定鍋爐水位電路中是否存在開路狀況。
13.權利要求12的方法，還包括步驟比較過濾后的雙頻信號和短路基準信號，以便確定鍋爐水位電路中是否存在短路狀況。
14.權利要求12的方法，還包括以下步驟a.從雙頻信號中過濾高頻成分；以及b.將過濾后的雙頻信號與一個基準的汽過水基準相比較，以便確定鍋爐中是否存在汽過水的狀況。
15.權利要求12的方法，其中，高頻成分和低頻成分定義了一個凈總和積分零信號電平。
全文摘要
一種鍋爐水位系統中的故障檢測電路，其中包括一個雙頻信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器產生兩個沒有相關DC分量的AC分量。這兩個頻率經過混合并經由一個阻抗匹配電路發(fā)送，以便將系統信號生成部分的阻抗與測量中的鍋爐用水的阻抗相匹配。然后則將阻抗匹配信號引導到兩條支線，其中一個支線經由多個電極探針之一引導到一個第一濾波器電路，另一個支路則引導到一個第二濾波器組。在組合中，這些濾波器傳遞這兩個頻率中較高或較低的一個，以便確定水位感測電路中的開路或短路狀況，以及汽水比狀況。
文檔編號G01F25/00GK1646886SQ03808358
公開日2005年7月27日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權日2002年2月19日
發(fā)明者G·G·桑德斯 申請人:泰科流控制公司